激光-電弧復(fù)合焊接中激光脈沖對(duì)電弧正-負(fù)半波作用★

趙建智，陳明華，趙作福，辛立軍（遼寧工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州121001）

激光-電弧復(fù)合焊接中激光脈沖對(duì)電弧正-負(fù)半波作用★

趙建智，陳明華，趙作福，辛立軍
（遼寧工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州121001）

本論文研究了激光-電弧復(fù)合熱源焊接鎂合金過程中激光脈沖作用于交流電弧放電的正、負(fù)半波時(shí)激光與電弧的耦合作用。本文采用直接觀察焊縫表面狀態(tài)、高速攝像和光譜分析相結(jié)合的方式，研究了激光脈沖分別作用于電弧正、負(fù)半波時(shí)焊縫的成型特點(diǎn)、熔化深度、等離子體行為以及光輻射特性。結(jié)果表明，激光脈沖作用于電弧放電正、負(fù)半波時(shí)，均能實(shí)現(xiàn)連續(xù)焊接，電弧體積均發(fā)生膨脹。相比于激光脈沖作用于電弧放電負(fù)半波，激光脈沖作用于正半波時(shí)的焊縫成型較好，電弧等離子體中鎂原子輻射強(qiáng)度的增加程度較大，但焊接熔深較小。通過分析，發(fā)現(xiàn)激光脈沖作用于電弧放電負(fù)半波可以固定電弧在板材的放電位置，提高電弧的能量密度。

焊接技術(shù)與工程； 激光-電弧復(fù)合焊接；激光脈沖；電弧放電波形

0 引言

激光-電弧熱源作為一種新型復(fù)合焊接熱源具有焊接效率高、焊接質(zhì)量好以及能源消耗低的特性，因此成為國(guó)內(nèi)外焊接領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［1-3］。近年來(lái)，研究者圍繞激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)開展了大量的研究工作。然而，目前較多的工作集中在焊接裝置設(shè)計(jì)和焊接工藝開發(fā)方面，而對(duì)于焊接熱源的物理狀態(tài)和物理機(jī)制的研究相對(duì)較少［4，5］。從已有的研究結(jié)果來(lái)看，激光和電弧在焊接過程中的耦合效應(yīng)已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)同。耦合效應(yīng)認(rèn)為：電弧對(duì)材料的預(yù)熱效應(yīng)可以大幅提升激光的吸收率；激光等離子體對(duì)電弧的吸引和壓縮作用既穩(wěn)定了電弧的放電過程，又提高了電弧的能量密度。這些相互增強(qiáng)作用提高了復(fù)合熱源整體的熱穿透能力和焊接穩(wěn)定性［6-8］。

然而，不同類型的電弧等離子體其放電特性不盡相同，在焊接過程中其與激光之間的相互作用的差異較大［9］。如激光-TIG電弧復(fù)合熱源和激光-MAG電弧復(fù)合熱源是較為常見的兩種復(fù)合焊接熱源［10］，而TIG電弧和MAG電弧在焊接時(shí)放電極性完全相反［11］，同時(shí)在電弧成分、溫度和質(zhì)量傳遞等方面差異巨大，而已有機(jī)制難以對(duì)此進(jìn)行分析。這一結(jié)果導(dǎo)致不同類型的電弧與激光復(fù)合構(gòu)建的復(fù)合熱源在進(jìn)行焊接時(shí)的指導(dǎo)機(jī)制不清楚、無(wú)法統(tǒng)一，甚至出現(xiàn)混亂。解決此問題的有效、可靠方法是對(duì)不同類型的復(fù)合熱源的物理機(jī)制分別進(jìn)行研究，并提取相關(guān)物理過程和物理機(jī)制的共性特征，進(jìn)而得到適用于不同類型激光-電弧復(fù)合熱源的通用型物理機(jī)制。

本論文主要針對(duì)激光-交流TIG電弧復(fù)合熱源焊接過程中物理過程和物理機(jī)制進(jìn)行研究，通過考察激光作用時(shí)電弧的形態(tài)特征、光輻射特性、焊縫表面成型以及焊縫熔化深度，以及著重分析激光作用于交流電弧正、負(fù)半波期間與電弧相互作用的物理過程。在本研究中，交流電弧的負(fù)半波與MIG/MAG電弧的放電特性相同，因此本研究結(jié)果也可以為激光-MIG/MAG電弧復(fù)合熱源焊接的相關(guān)物理機(jī)制研究提供現(xiàn)象參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

如圖1所示，本研究采用脈沖式Nd∶YAG激光與交流TIG電弧復(fù)合，構(gòu)建脈沖式激光-TIG電弧復(fù)合熱源。復(fù)合方式為旁軸復(fù)合，且在焊接方向上電弧在前、激光在后。激光束垂直照射板材，電弧焊槍與板材表面呈45°角。激光束軸線與鎢極間斷的水平距離定義為激光-電弧間距，且實(shí)驗(yàn)中可調(diào)。采用激光脈沖-交流電弧波形匹配控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光脈沖作用于交流電弧放電的不同階段的控制。交流電弧放電的周期為76ms，放電波形如圖2所示。實(shí)驗(yàn)材料為6mm厚AZ31B鎂合金板，采用平板堆焊的焊接方式，焊接速度為600mm/ min。焊接過程中采用高速攝像機(jī)對(duì)復(fù)合熱源等離子體動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行觀察，采集方向垂直于焊接方向以獲得焊接等離子體的側(cè)面圖像。高速攝像機(jī)的采集速度為2000幀/秒，曝光時(shí)間0.5ms。采用光譜分析儀對(duì)等離子體中鎂原子的光輻射強(qiáng)度進(jìn)行采集和分析，采用的分光光柵為300 groove/ mm。焊后，觀察焊縫的表面形貌，并對(duì)焊縫進(jìn)行切割取樣，經(jīng)過拋光、腐蝕（HCl濃度為5%的酒精溶液），觀察焊縫的橫截面狀態(tài)，以確定熱源的熔化深度。實(shí)驗(yàn)所用的主要參數(shù)見表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Skech of experimental device

圖2 交流電弧放電波形Fig.2 Discharge waveform of the alternating current electric arc

表1 主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Main parameters used in experiments

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊縫特征

2.1.1 焊縫表面粉末

控制激光脈沖作用于交流電弧的波形的不同位置，并進(jìn)行焊接。焊接結(jié)束后不清理試板，直接對(duì)焊后焊接試板的表面狀態(tài)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，焊后的焊縫表面有一層粉末覆蓋，但是激光作用于交流電弧的正、負(fù)半波時(shí)，表面覆蓋粉末的狀態(tài)不同。激光作用于電弧正半波時(shí)，焊后焊縫表面粉末呈黑色，且粉末覆蓋致密；激光作用于電弧負(fù)半波時(shí)，焊縫表面顏色略淺，呈灰色。X-射線衍射分析結(jié)果表明粉末為納米級(jí)氧化鎂和純鎂顆粒。

2.1.2 焊縫形貌

圖3 焊后焊縫表面粉末狀態(tài)（a）激光脈沖作用于正半波；（b）激光脈沖作用于負(fù)半波Fig.3 State of the powder on the weld seam surface（a） laser pulse acting at the positive half waveform； （b） laserpulse acting at the negative half waveform

采用鋼絲刷將焊接過后的焊縫表面粉末進(jìn)行清理，對(duì)比觀察激光脈沖作用于電弧正、負(fù)半波時(shí)焊縫表面形貌，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，在同樣的焊接參數(shù)下，激光脈沖作用于電弧正半波時(shí)，焊縫表面存在均勻細(xì)致的魚鱗紋；而激光脈沖作用于電弧放電負(fù)半波時(shí)，焊縫表面紋路不規(guī)則，表面起伏較大，且略顯粗糙。

圖4 焊縫表面成型，參數(shù)：電弧電流120A，激光-電弧間距2mm（a）激光脈沖作用于正半波；（b）激光脈沖作用于負(fù)半波Fig.4 Weld seam formation.Parameters： arc current 120A， laser-arc distance 2mm（a） laser pulse acting at the positive half waveform； （b） laser pulse acting at the negative half waveform

2.1.3 焊接熔深

本研究對(duì)不同焊接參數(shù)下，激光脈沖作用于電弧放電波形正、負(fù)半波時(shí)的熔化深度進(jìn)行采集，結(jié)果如圖5所示。由圖中可以看出，激光脈沖作用于電弧正、負(fù)半波時(shí)的焊縫熔深略有不同。激光脈沖作用于電弧放電負(fù)半波時(shí)的熔化深度略大于正半波。從結(jié)果可以看出，相對(duì)于激光脈沖作用于電弧放電波形的位置，激光束與電弧在空間上的相對(duì)位置對(duì)焊接熔化深度的影響更大。

圖5 激光-電弧復(fù)合熱源焊縫熔深Fig.5 Laser-arc welding penetration depth

2.2 電弧形態(tài)

采用高速攝像機(jī)對(duì)焊接過程激光脈沖與電弧不同匹配條件下的復(fù)合電弧形態(tài)進(jìn)行觀察，期間采用中心波長(zhǎng)為518nm的窄帶濾光片，觀察到的為電弧中鎂原子的發(fā)光狀態(tài)，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，激光脈沖作用于電弧放電波形不同位置時(shí)，電弧形態(tài)均發(fā)生變化。激光脈沖作用于電弧放電正半波期間，電弧體積發(fā)生膨脹，但電弧外形輪廓較規(guī)則。激光脈沖作用于電弧放電負(fù)半波時(shí)，電弧體積劇烈膨脹，形狀不規(guī)則。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，激光脈沖對(duì)放電電流較小的電弧形狀影響較大，這可能與電弧弧柱區(qū)寬度以及電弧自身的挺度有關(guān)。當(dāng)電弧電流較大時(shí)，電弧弧柱直徑較大，同時(shí)電弧自身挺度也較大。激光脈沖穿過電弧等離子體作用于材料上以后形成的高速等離子體蒸汽對(duì)電弧的沖擊作用相對(duì)較弱。

圖6 激光脈沖作用時(shí)的電弧形態(tài)Fig.6 Arc behaviours during laser pulse action

2.3 光譜特征

采用直讀電弧光譜分析儀對(duì)激光-TIG電弧復(fù)合焊接過程中激光脈沖作用時(shí)電弧等離子體的光輻射進(jìn)行分析。光譜采集位置為電弧軸線上鎢極附近區(qū)域。首先對(duì)激光作用于電弧正、負(fù)半波時(shí)復(fù)合等離子體光譜進(jìn)行采集，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，從圖中可以看出，激光作用于電弧正負(fù)半波時(shí)在200～1000nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光輻射譜線位置基本相同，表明兩種焊接過程的電弧等離子體中粒子的種類區(qū)別不大，均主要由氬原子、氬離子、鎂原子和鎂離子組成。

圖7 激光-電弧復(fù)合焊接鎂合金過程中電弧等離子體光譜Fig.7 Spectrum of the arc plasma during laser-arc hybrid welding

圖8 激光脈沖作用時(shí)Mg原子譜線的變化Fig.8 Variation of the Mg atom spectral line during laser pulse action

激光脈沖作用于材料上時(shí)，板材元素（以鎂元素為主）迅速熔化、蒸發(fā)，并進(jìn)入到電弧等離子體中。鎂元素在電弧中的含量會(huì)以鎂原子輻射譜線的強(qiáng)度定性反映出來(lái)。因此，考察電弧中鎂原子譜線518.362nm的輻射強(qiáng)度可以定性說(shuō)明激光對(duì)電弧放電狀態(tài)的影響程度。在實(shí)驗(yàn)中，采用等同有效值的直流正、反接來(lái)分別近似電弧放電正、負(fù)半波的情形，且只考察激光脈沖作用后譜線強(qiáng)度的變化值，結(jié)果為5組重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，激光脈沖作用于后電弧放電正、負(fù)半波時(shí)鎂原子譜線強(qiáng)度均增加，但增加的程度不同，如圖8所示。激光脈沖作用于電弧正半波時(shí)譜線強(qiáng)度增加程度高于作用于負(fù)半波時(shí)。該結(jié)果表明，激光脈沖作用于電弧放電正半波時(shí)有大量的鎂原子進(jìn)入到電弧中，電弧中鎂原子濃度大幅提升，而激光脈沖作用于負(fù)半波時(shí)電弧中鎂原子濃度變化不大。

3 分析與討論

在焊接過程中，激光束穿過電弧等離子體放電空間的過程中激光與電弧之間的相互作用極其微弱，二者的相互作用主要發(fā)生在激光束作用于材料上之后的過程。激光束對(duì)材料的劇烈加熱使得材料瞬間被熔化、蒸發(fā)、電離，形成的激光等離子體蒸汽高速?zèng)_入電弧等離子體的放電空間。而兩種等離子體之間的相互作用是激光與電弧相互作用的本質(zhì)。

由于電弧放電極性和放電強(qiáng)度的周期性改變，電弧放電空間的電學(xué)特性完全不同。當(dāng)電弧放電處于正半波時(shí)，鎢極作為等離子體的陰極發(fā)射電子，而板材作為陽(yáng)極接收電弧弧柱中的電子。此時(shí)，從板材向上方?jīng)_入電弧放電空間的激光等離子體中的電子立刻收到電場(chǎng)力的減速作用，并向板材運(yùn)動(dòng)。相反，激光等離子體中的正離子在電弧放電空間向鎢極移動(dòng)。電弧等離子體中能量的載體主要是電子。激光等離子體中的電子在離開板材表面很小的距離內(nèi)就減速至零并被重新加速向板材運(yùn)動(dòng)。因此其從電場(chǎng)中獲得的能量較少，返回板材時(shí)攜帶的能量也較少。在電弧放電負(fù)半波時(shí)，電弧電場(chǎng)方向的改變導(dǎo)致粒子的反向運(yùn)動(dòng)。激光等離子體中的電子在電場(chǎng)的加速作用下向鎢極運(yùn)動(dòng)，期間獲得的能量通過碰撞最終傳遞給鎢極。從這個(gè)角度來(lái)看，激光脈沖作用于電弧正、負(fù)半波時(shí)粒子對(duì)材料的能量輸入差異不大。但是，在激光脈沖作用于電弧放電負(fù)半波期間，板材作為發(fā)射電子的陰極。激光作用點(diǎn)高密度的電子群將成為電弧放電的電子發(fā)射源，因此電弧放電的位置集中于板材上的激光作用點(diǎn)，此處具有極大的電流密度。而激光作用于電弧放電正半波時(shí)，這種對(duì)電弧放電點(diǎn)的固定和放電電流的匯聚作用較弱。因此，在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)激光脈沖作用于電弧放電負(fù)半波時(shí)焊縫的熔化深度略大于正半波。

在激光脈沖作用于電弧正半波期間，激光等離子體中的正離子（以鎂離子為主）在電場(chǎng)作用下大量進(jìn)入到電弧中，因此電弧等離子體中的鎂元素含量急劇增加，表現(xiàn)為光譜中Mg原子的輻射強(qiáng)度大幅提高。同時(shí)，從電弧中擴(kuò)散出去的鎂原子數(shù)量增加，導(dǎo)致焊后焊縫周圍存在大量的呈部分團(tuán)聚狀態(tài)的納米鎂粉。而當(dāng)激光脈沖作用于電弧負(fù)半波時(shí)，電場(chǎng)的作用導(dǎo)致鎂離子向電弧空間擴(kuò)散的難度較大，因此，鎂原子輻射強(qiáng)度較低，焊后焊縫周圍的鎂粉末較少。

4 結(jié)論

本論文研究了在激光-電弧復(fù)合焊接鎂合金過程中，激光脈沖作用于交流電弧放電正、負(fù)半波時(shí)焊接特性的差異，并分析了其機(jī)制。通過本論文的研究，得到如下結(jié)論：

1）與激光脈沖作用于電弧放電的正半波相比，激光脈沖作用于交流電弧放電的負(fù)半波時(shí)，復(fù)合熱源對(duì)焊縫的熔化深度較大，焊縫附近的黑色鎂粉末較少，電弧等離子體體積劇烈膨脹，且電弧中鎂原子的光譜輻射強(qiáng)度較小。

2）激光脈沖作用于電弧放電正、負(fù)半波時(shí)的差異主要來(lái)自電弧等離子體電場(chǎng)對(duì)激光等離子體作用的差異。激光脈沖作用于電弧正、負(fù)半波時(shí)，激光等離子體中帶電粒子對(duì)材料的熔化貢獻(xiàn)均不大。但是，激光脈沖作用于電弧放電負(fù)半波時(shí)，激光等離子體的存在可以提高電弧等離子體的能量密度，有利于提高熱源的熱穿透能力。

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Effect of Laser Pulse on Positive/negative Waveform of Arc Discharge during Laser-arc Welding

ZHAO Jian-zhi， CHEN Ming-hua， ZHAO Zuo-fu，xin Li-jun
（Material Science and Engineering College， Liaoning University of Technology， Jinzhou， 121001， China）

Coupling effect between laser and arc plasma was studied when laser acting at the positive and negative waveform of the arc discharge during laser-arc hybrid welding of magnesium alloy.By the methods of direct observation， high speed imaging and spectral analysis， the surface status of weld seams after welding， the welding penetration depths， the plasma behaviors and the spectral characteristics of welding plasma were investigated gradually.Results show that compared with the situation of laser pulse acting at the negative waveform the arc plasma discharge， better weld seam formation can be achieved when laser pulse acts at the positive waveform of the arc discharge.At the same time， the radiation intensity of Mg atoms in arc plasma greatly increases， and however， the welding penetration depth is much weaker.After analysis， it is found that when laser pulse acting at the negative waveform the arc plasma discharge， the position of arc plasma discharge on workpiece can be restrained by the laser acting point， which improves the energy density of the welding arc.

Welding technology and engineering； Laser-arc hybrid welding； Laser pulse； Arc plasma discharge waveform

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.03.002

ZHAO Jian-zhi， CHEN Ming-hua， ZHAO Zuo-fu， et al.Effect of Laser Pulse on Positive/negative Waveform of Arc Discharge during Laser-arc Welding［J］.The Journal of New Industrialization， 2016， 6（3）∶ 7-12.

遼寧工業(yè)大學(xué)校人才基金（23050502-234007）

趙建智（1993-），男，從事焊接技術(shù)方面研究；陳明華（1983-），男，講師，從事激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)及機(jī)制研究；

趙作福（1978-），男，實(shí)驗(yàn)師，從事材料凝固技術(shù)研究；

辛立軍（1982-），女，講師，從事激光焊接及再制造技術(shù)研究

本文引用格式：趙建智，陳明華，趙作福，等.激光-電弧復(fù)合焊接中激光脈沖對(duì)電弧正-負(fù)半波作用［J］.新型工業(yè)化，2016，6（3）：7-12.